程 揚(yáng)

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

由于全國(guó)地鐵的大范圍修建，必然導(dǎo)致地下隧道之間的交錯(cuò)，這些近接交叉隧道在施工過(guò)程中會(huì)對(duì)原有的土層產(chǎn)生擾動(dòng)引起應(yīng)力重分布，進(jìn)而導(dǎo)致地表沉降的產(chǎn)生。為具體研究之一現(xiàn)象，本文以合肥高鐵南站一號(hào)線與五號(hào)線交叉隧道施工為背景，運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究在不同注漿參數(shù)情況下，近接相交隧道盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中引起的地表沉降分布規(guī)律。

一、工程概況

合肥地鐵一號(hào)線與五號(hào)線相交于高鐵南站：五號(hào)線盾構(gòu)隧道右線長(zhǎng)453.17m且左線長(zhǎng)452.234m；一號(hào)線盾構(gòu)隧道右線長(zhǎng)620.37m,左線長(zhǎng)617.78m整個(gè)區(qū)間隧道的長(zhǎng)度為2169.69m。

一號(hào)線繁華大道站為盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)站，在進(jìn)行完繁華大道至高興區(qū)之間的盾構(gòu)施工后，盾構(gòu)機(jī)直接掉頭、轉(zhuǎn)向，從高鐵站南端五號(hào)線的端頭井重新開(kāi)始護(hù)法，下穿合寧高速公路。重疊區(qū)域一號(hào)線與五號(hào)線的具體位置為五號(hào)線的右線和左線分別與一號(hào)線左線相交，一號(hào)線位于五號(hào)線的正上方，兩條線的夾土層最小厚度約2.965m，五號(hào)線的兩條隧道分別下穿一號(hào)線左線隧道，五號(hào)線右線與一號(hào)線左線盾構(gòu)區(qū)間最小處的凈距只有2.267m，與五號(hào)線右線隧道間最小凈距僅4.26m。處于高鐵南站下的地鐵五號(hào)線隧道以及一號(hào)線左線區(qū)間隧道的位置如圖1[1]。

圖1 五號(hào)線隧道和一號(hào)線左線區(qū)間隧道平面關(guān)系圖

（一）場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

處于相交區(qū)間的土層包含下列幾層土：第一層為人工雜填土厚度約為3m，第二層為粘土約為8m，第三層土為粉質(zhì)粘土約為10m。盾構(gòu)隧道相交的區(qū)間位于第三層粘土，該地層主要參數(shù)見(jiàn)表1。

（二）管片相關(guān)參數(shù)

隧道襯砌為鋼筋混凝土管片，管片采用3+2+1模式組合，襯砌環(huán)間采用錯(cuò)縫拼裝。管片寬1500mm，厚300mm，襯砌外徑6000mm，內(nèi)徑5400mm，注漿層厚150 mm。襯砌采用C50的混凝土，抗?jié)B等級(jí)P12，注漿混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20。具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 各個(gè)土層詳細(xì)參數(shù)表

表2 混凝土材料計(jì)算參數(shù)

（三）盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)

表3 盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)

二、有限元模型建立

（一）計(jì)算假定

首先設(shè)定下列力學(xué)模型的假設(shè)：

（1）土體表面以及地表下各土層都處與均質(zhì)且水平的層狀分布；

（2）初始應(yīng)力只有自重;

（3）用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算；

（4）不考慮地下水對(duì)地表沉降造成的問(wèn)題；

（5）在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中假設(shè)每一步的步長(zhǎng)推進(jìn)的長(zhǎng)度和管片的寬度一樣為3.5m。

（二）網(wǎng)格劃分

由于本模型的尺寸非常大，只選取了交叉部分作為參考對(duì)象。地下隧道中應(yīng)力以及應(yīng)變隨著盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)程不斷改變,真正影響隧道的范圍是距隧道中心點(diǎn)的3到6倍開(kāi)挖半徑的范圍。本次的數(shù)值模擬計(jì)算模型寬130m，高70m，縱向長(zhǎng)度為140m（每環(huán)管片幅寬1.5m）,模型X方向（橫向）范圍為隧道外徑的四倍大小[2]，模型底部距五號(hào)線隧道中心35m。為了簡(jiǎn)化模型大小，減小計(jì)算步驟計(jì)算，所以設(shè)每步開(kāi)挖3.5m。土體模型的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)數(shù)為128,872，單元總數(shù)為80000。模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

三、地表沉降分析

由于在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中施工擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致隧道周邊原有的土層產(chǎn)生應(yīng)力重分布，為了防止由于應(yīng)力重分布引起土體坍塌或是其他不利于工程的情況出現(xiàn)，在盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖后要立刻在盾構(gòu)機(jī)的末端進(jìn)行注漿加固對(duì)土體進(jìn)行支撐，這樣會(huì)及時(shí)調(diào)整由于地層損失引起的地表變形[3]。

為進(jìn)一步分析近接交叉隧道盾構(gòu)施工對(duì)周邊地表沉降的影響規(guī)律，下文采用數(shù)值分析，模擬相同施工環(huán)境下幾種不同屬性的注漿引起的地表沉降。

圖2 隧道位置模型

首先考慮的是不進(jìn)行盾尾注漿，由于盾構(gòu)施工后，在盾構(gòu)機(jī)行駛的過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變重分布會(huì)導(dǎo)致土層發(fā)生塌落，可以假定這種塌落的土層直接充滿盾構(gòu)機(jī)末端的空隙,好比盾構(gòu)機(jī)前方土匯聚成了一個(gè)向隧道內(nèi)部的位移的趨勢(shì),位移的范圍和大小相當(dāng)于盾構(gòu)施工后尾部的空隙。

另外一種情況就是不考慮由注漿由液體形態(tài)轉(zhuǎn)化為固體行形態(tài)的過(guò)程，就把注漿體看作均質(zhì)的，連續(xù)的超高強(qiáng)度的固化物。然而在通過(guò)實(shí)際的盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,盾構(gòu)機(jī)末端的注漿量的多少以及組成注漿體的材料等，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)隧道周邊土體沉降會(huì)產(chǎn)生比較大的影響。所以在對(duì)盾構(gòu)機(jī)末端進(jìn)行注漿時(shí)需要一種厚度差不多，屬性相近的具有平均意義的等代層來(lái)替換成這種由水泥沙子等粗細(xì)骨料組成的注漿體[4]。

組成等代層的是像碎石、砂子等粗細(xì)骨料的混合體,因此所假設(shè)的等代層的材料性質(zhì)與其土體性質(zhì)、注漿材料以及注漿壓力都有著聯(lián)系,如果把等代層當(dāng)成是彈性材料,那么等代層的材料性質(zhì)就應(yīng)該具有厚度、泊松比、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)。其中,彈性模量反應(yīng)了的漿液性能，其選擇非常關(guān)鍵。

由于交叉隧道位于第三層土 （彈性模量40000-100000KN/m3），所以等代層的彈性模量應(yīng)該在土層與水泥之間，取值的大小應(yīng)該與組成兩者的材料的多少有關(guān)。使用不同彈性模量和泊松比的等代層來(lái)代替注漿進(jìn)行計(jì)算出來(lái)的最大沉降值也就不同，所以假設(shè)兩種情況：一種是E=2GPa且泊松比為0.3；另一種是：E=20GPa，同時(shí)泊松比等于0.3。

（一）橫向位移

圖3 地表橫向沉降位移

圖4 一號(hào)線右線隧道中心線地表縱向沉降曲線

圖5 一號(hào)線左線隧道中心線地表沉降曲線

通過(guò)觀察圖4可以找出如下規(guī)律:

當(dāng)?shù)却鷮釉贓=2GPa，泊松比為0.3；等代層在E=20GPa，泊松比為0.35以及沒(méi)有考慮注漿的情況下，三者的位移曲線形狀十分相似，但是地表橫向沉降位移量是不相同的，當(dāng)E=20GPa時(shí)最大沉降量15.1mm,而不考慮注漿時(shí)最大沉降量為27.5mm。彈性模量及泊松比反應(yīng)的是注漿剛度大小，所以說(shuō)明等代層剛度大小對(duì)于地表的橫向位移有很大影響，注漿剛度越大，地表沉降數(shù)值就越小。

（二）縱向位移

通過(guò)觀察圖4至圖5中地鐵一號(hào)線左線及右線中心線地表沉降數(shù)值發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:

1.觀察圖5當(dāng)沒(méi)有考慮注漿時(shí)一號(hào)線右線的最大沉降接近20mm,當(dāng)取等代層彈性模量為2Gpa且泊松比為0.3時(shí)，最大沉降由20mm縮小到19.35mm；當(dāng)取彈性模量為20Gpa且泊松比為0.35時(shí)，最大沉降緊接著隨之縮小，一號(hào)線右線最大沉降值約18.5mm。

2.圖6顯示，當(dāng)一號(hào)線左線中心線在沒(méi)有進(jìn)行注漿的時(shí)候最大沉降接近20.5mm，選擇彈性模量為2Gpa同時(shí)泊松比為0.3的等代層時(shí)左線中心線的最大沉降縮小了0.25mm,變成了20.25mm。最后取強(qiáng)度最大的等代層（彈性模量為20GPa，泊松比為0.35）時(shí)，一號(hào)線左線最大沉降進(jìn)一步縮小到約18.90mm。

通過(guò)對(duì)上面兩個(gè)圖即一號(hào)線左右中心線的最大沉降觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著等代層剛度的增加，地表最大沉降數(shù)值在不斷縮小，因此在同樣的盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)下，可以通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)尾部使用高強(qiáng)度的注漿，來(lái)穩(wěn)定土層并且縮小地表沉降的數(shù)值。

（三）等代層厚度

地表沉降最大值與注漿量之間關(guān)系密切，文獻(xiàn)[5]從控制地表沉降的角度結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提出了最佳注漿量的確定方法。為反映近接相交隧道注漿量對(duì)地表沉降的影響，本文通過(guò)改變等代層的厚度反映盾尾不同注漿量和盾尾空隙情況，通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)盾構(gòu)施工不同的等代層厚度下的地表沉降結(jié)果進(jìn)行比較分析。

本文選取了3組厚度分別為8cm、12cm、20cm的等代層厚度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。考慮到普通粉質(zhì)粘土的彈性模量介于土體和混凝土之間，在數(shù)值模擬中設(shè)置粉質(zhì)粘土的彈性模量E=1.43×108pa。

結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算不同的等代層厚度下地表沉降值及地表沉降曲線（圖6）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)却鷮雍穸葹?cm、12cm、20cm時(shí)地表最大沉降值為 26.8mm、22.8mm、15.1mm。模擬數(shù)據(jù)表明等代層厚度與地表最大沉降呈反比，地表最大沉降值隨等代層厚度的增大而減小。

圖6 等代層厚度影響地表沉降圖示

四、監(jiān)測(cè)結(jié)果與midas比較分析

交叉隧道通過(guò)的土為第三層粘土我們假設(shè)掘進(jìn)中洞室覆土為10m厚，洞室掘進(jìn)的半徑為6米，土層粘聚力51KPa，內(nèi)摩擦角為16度，取1號(hào)線右線與5號(hào)號(hào)線左線中間斷面，相應(yīng)埋深為：8.8m～29.7m。

圖7 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與midas數(shù)據(jù)比較

從圖7中可以看出模擬數(shù)據(jù)基本上符合正態(tài)分布。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有若干個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值發(fā)生了跳躍，這與實(shí)際的地質(zhì)條件和操作環(huán)境有很大的關(guān)系，有限元軟件可以通過(guò)改變模型中材料參數(shù)的方法準(zhǔn)確反映不同地質(zhì)條件和施工方法造成的地層移動(dòng)。

五、結(jié)論

本文以合肥高鐵南站一號(hào)線與五號(hào)線交叉隧道施工為背景，運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究交叉隧道施工在注漿強(qiáng)度不同的情況下影響地表沉降的規(guī)律。通過(guò)研究得出以下結(jié)論：

1.彈性模量及泊松比反應(yīng)的是注漿剛度大小，所以說(shuō)明等代層剛度大小對(duì)于地表的橫向位移有很大影響，注漿剛度越大，地表沉降數(shù)值就越小。

2.在相同施工環(huán)境下，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)末端注漿強(qiáng)度的提高可以縮小地表沉降。所以在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中可以通過(guò)加強(qiáng)注漿強(qiáng)度來(lái)減小一定的地表沉降。

3.等代層厚度與地表最大沉降呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此注漿量的提高對(duì)于沉降的減小也是很有利的。